探析基于GIS 技術在水文水資源中的運用

周野一，王 丹

（紅河州水利水電工程地質(zhì)勘察咨詢規(guī)劃研究院，云南 蒙自 661100）

0 引言

GIS 技術是一種以地理空間為基礎，通過地理模型分析法實時提供多種空間以及動態(tài)地理信息的計算機技術系統(tǒng)[1]。GIS HAWR 技術是近幾年才發(fā)展起來的空間信息分析技術，對解決資源環(huán)境問題有重要作用。美國是最早開始應用的國家，1980 年以后，該技術逐漸被廣泛應用于更多的領域，如計算機、遙感、GIS 綜合使用。GIS 技術在多領域被廣泛使用，主要包括水資源規(guī)劃、管理、優(yōu)化等。近年來，該項技術在水資源流域中展現(xiàn)了驚人的發(fā)展速度，從技術在水資源規(guī)劃、管理、優(yōu)化資源到調(diào)查、規(guī)劃、評價、管理，其中，從決策等方面是重要技術改變方法之一。如今，GIS 技術的優(yōu)勢越來越明顯，尤其在資源和環(huán)境應用領域具有技術先導作用。

1 GIS 技術在水資源中的運用

GIS 技術在水資源中的運用主要體現(xiàn)在以下方面：水資源管理、流域面雨量計算、地下水資源勘測、水文模擬、水情預報等[2]。

1.1 水資源管理方面

GIS 技術在水資源管理上，是水資源空間分布重要方法，水資源空間分布和調(diào)配，主要是地下水資源。大量研究表明：GIS 技術在水資源管理上，科學規(guī)劃水資源空間分布和調(diào)配，為實現(xiàn)技術在地下水源管理上行之有效，組建規(guī)模為根本，效果顯著[3]。在GIS 基礎上成立水資源管理信息系統(tǒng)，能夠為水資源管理提供快速且全面的信息支持。上述研究建立系統(tǒng)，目的是改善我國水資源不合理應用情況，同時促進可持續(xù)發(fā)展，成為研究的史無前例的典范。

目前，我國的GIS 水資源管理信息系統(tǒng)水平較高，與國外先進國家進行對比，沒有太大差異，主要具備以下特點：基礎電子地圖基數(shù)數(shù)據(jù)高，系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布全；專業(yè)電子地圖是數(shù)字化與HAWR 專業(yè)地理數(shù)據(jù)、基礎相融合的，專業(yè)電子地圖詳細使用，信息領域更為專業(yè)精細；遙感信息庫和基礎地理數(shù)據(jù)完滿結(jié)合再到解譯步驟得出眼科測試數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)看對分區(qū)查詢對象書記描述，在GIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中具有基礎屬性；軟件系統(tǒng)為基于上述的基礎和專業(yè)電子地圖、遙感信息庫、屬性數(shù)據(jù)庫基礎上，運用GIS 水資源管理信息系統(tǒng)開發(fā)與水資源管理有關的其他軟件系統(tǒng)。同時軟件系統(tǒng)中包含管理空間和屬性數(shù)據(jù)，包括兩者相互結(jié)合管理信息等。

1.2 流域面雨量計算方面

流域面雨量在HAWR 管理中具有重要作用，江河流域面雨量分為小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨等六個等級，有助于相關部門及時采取正確措施。計算流域面雨量的方法有多種，面雨量指描述整個區(qū)域或流域內(nèi)單位面積上的平均降水量的物理量，以客觀反映降水情況，常見計算方法有算術平均法、等值線法等。大量數(shù)據(jù)證實，要準確計算面雨量，必須根據(jù)實際情況選擇合適的計算方法，可每種方法均具有局限性[4]。總的來說，面雨量精度計算受各方面影響，根據(jù)不同需求進行針對性應用科學合理適宜的方法是關鍵。本文所講面雨量受多種因素影響，如地形、測站分布地區(qū)、流域內(nèi)站網(wǎng)密度、面積等。在流域內(nèi)站網(wǎng)密度干擾下，內(nèi)站網(wǎng)密度和精度成正比。在地形平坦、流域面積小、測站分布均勻的情況下適合使用算術平均法面雨量測量是更為實用有效的方法。等雨量線法精度上來說占據(jù)優(yōu)勢，但實操性不強，技術領域理解晦澀難懂，操作時需有強大的數(shù)據(jù)支撐和對數(shù)據(jù)的理解分析能力，具備復雜性特點，無法便捷應用到日常生活中。個點法操作上也是很難實施的，同時成效性不強，雖然能反映降水連續(xù)性，都不是最佳的方法。

將GIS 技術運用在流域面雨量計算中，彌補了傳統(tǒng)方法沒有的部分，流域面雨量的計算主要是為各級政府組織防汛抗洪和水庫等決策提供依據(jù)，幫助水利部門提供洪水預報參數(shù)，而GIS技術可借助防汛決策支持系統(tǒng)展開災情評估與洪澇災情風險分析，從此證明GIS 的面流量計算方法行之有效。

用GIS 技術對降雨量分布數(shù)據(jù)進行分析，不僅有助于提高工作效率，獲得令人滿意的效果，同時與其他技術相比，GIS 不會受人為因素干擾，也不受數(shù)據(jù)量限制，進而提升工作質(zhì)量。

1.3 地下水資源勘測方面

地下水資源主要指存在地下能夠被人類利用的水資源，是全球水資源的重要組成部分，且同地表水資源和大氣水資源有緊密聯(lián)系，可相互轉(zhuǎn)化，對其進行勘察有助于評價水質(zhì)和水量，除此之外還包含水層之間水力聯(lián)系，同時包含水層邊界等特征[5]。

運用GIS 技術在地下水資源空間分布以及調(diào)配兩方面，通過對地下水埋深、地表水供給、儲藏量等信息，獲取空間數(shù)據(jù)和建立成果細化模型，明確放映區(qū)域地下水資源一般特點規(guī)律，在進行地下水資源規(guī)劃、管理、保護、開發(fā)時更具備科學合理和全面決策做有力依據(jù)，從而對地下水資源進行規(guī)范化管理，確保實施的有效性。

GIS 技術地下水資源應用是指獲取水文地質(zhì)一般資料、地下水動態(tài)資料和水開采情況等空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)，能夠可視化查詢與檢索某些數(shù)據(jù)，預測地下水資源的管理情況。

1.4 水文模擬方面

GIS 技術在水文模擬方面應用，主要靠模擬：GIS 數(shù)字地形和數(shù)字高程根本，建立流域水文信息參數(shù)數(shù)字化系統(tǒng)。GIS 經(jīng)過明確流域特點和傳統(tǒng)水文模型融合，應用流域水文模擬在現(xiàn)實生活中。

GIS 技術在水文模擬方面采取多種水文模型，主要包括TOPMODEL、IHDM、SHE、不規(guī)則三角形網(wǎng)格模型等[6]。其中，在水文模擬方面，不規(guī)則三角網(wǎng)格完全分布方式成為最常見的應用方式，主要原因是僅有5%～10%的原始棚格節(jié)點數(shù)據(jù)，主要用于描述流域地形水文特征。

能夠通過GIS 技術和水文模擬模型的關系如下：GIS 動態(tài)分布降雨徑流流域、GIS 分布式流域水文物理、參考作物蒸散量分布式、變動生態(tài)產(chǎn)流。

1.4.1 GIS 動態(tài)分布式降雨徑流域模型

GIS 動態(tài)分布式降雨徑流域模型是在GIS 技術基礎上成立的，重點分析降雨、下墊面空間分布不均勻性徑流過程干擾因素。所以，借助GIS 技術成立動態(tài)分布式降雨徑流模板是針對坡面產(chǎn)匯流和河道匯流數(shù)值模擬。

1.4.2 GIS 分布式流域模型水文模型

GIS 分布式流域模型，水文模型基礎是GIS 技術數(shù)字地形和高程系統(tǒng)，主要應用在不大流域降雨徑流時空變化期間。

1.4.3 參考作物蒸散量分布式模型

參考作物蒸散量分布式模型基礎是DEM 的成立，同時在次基礎上考慮變異性流域空間。

1.4.4 變態(tài)生態(tài)產(chǎn)業(yè)流模型

LL—I 分布式降雨徑流模型展開變動生態(tài)產(chǎn)業(yè)流模型，可提升模擬預報精準度，適合各種各樣的具備水文特點地區(qū)產(chǎn)匯流計算。

1.5 水情預報方面

GIS 技術在水情預報應用方面總的主要概況為查詢水情和分析空間信息、確定流域水文模型參數(shù)。運用GIS 技術聯(lián)合查詢水情信息與對空間信息展開分析，對此分析管理數(shù)據(jù)庫技術、背景是數(shù)值化地圖，目的是實現(xiàn)以下信息：檢索水情、查詢水情、分析水情、計算水情。確定流域水文模型參數(shù)主要包括對以下有關地理信息確定分析：河道和流域的坡度長度以及重心等。除此之外，GIS 地理信息不直接通過分析計算流域地貌單位線、流域下滲能力等。

1.6 水污染控制策劃

區(qū)域環(huán)境策劃重要組成部分為水污染控制關鍵，因為科學有效水污染控制可以改善當下生活、工業(yè)廢水污染、河流污染等水質(zhì)量污染問題。水污染控制中最主要內(nèi)容為總量控制，是從根本上解決水污染問題[7]。

有效規(guī)劃水污染控制包括了以下形式的儲存管理內(nèi)容：地圖和可用兼容數(shù)據(jù)庫。地圖形式存儲管理分布包括：每個功能區(qū)水域單元水質(zhì)、城市排污管網(wǎng)?？捎眉嫒輸?shù)據(jù)庫形式存儲管理包括：居民經(jīng)濟統(tǒng)計情況、污染物種類及數(shù)量。

以下是在GIS 技術基礎上區(qū)域水污染控制預案：水污染控制規(guī)劃對象→水污染控制規(guī)劃數(shù)據(jù)→（數(shù)據(jù)庫及管理信息系統(tǒng)、水污染控制規(guī)劃模型庫）→面向用戶的信息系統(tǒng)→用戶所需要的數(shù)據(jù)、圖表信息→（數(shù)據(jù)庫及管理信息系統(tǒng)、水污染控制規(guī)劃模型庫）。

1.7 供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)

現(xiàn)階段開發(fā)供水管網(wǎng)GIS 應用開發(fā)程序的方法為獨立、單獨和集成的二次開發(fā)。單獨開發(fā)是獨立完成應用系統(tǒng)開發(fā)，不會依賴GIS 工具軟件。單獨二次開發(fā)是全部憑借GIS 工具軟件完成語言開發(fā)應用系統(tǒng)，集成再次開發(fā)是不僅應用了GIS 工具軟件還包括可視化開發(fā)平臺，兩者聯(lián)合應用程序開發(fā)商可使功能強大，進行結(jié)合二次開發(fā)。

集成地圖技術的應用是指在傳統(tǒng)與高級語言介入后完成GIS 軟件開發(fā)。實現(xiàn)城市供水管網(wǎng)功能包括信息查詢、編輯、有關水利計算以及優(yōu)化選泵等。積累與分析系統(tǒng)運行資料，科學有效規(guī)劃改造管網(wǎng)和泵站提供依據(jù)、建設改造投資。采用調(diào)度系統(tǒng)分析用水供給關系，制度合理供水配泵方案。

1.8 管理水環(huán)境

水環(huán)境信息具備顯著的空間與層次特性，GIS 可明確展現(xiàn)不同地域水域環(huán)境，反應水體環(huán)境質(zhì)量空間的變化方向。水環(huán)境管理信息系統(tǒng)由4 個基本功能組成，包括：水環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境分析管理、有關規(guī)定、標準、水環(huán)境輔助決策[8]。每級信息系統(tǒng)按照自身通過增添與之匹配的功能模塊。

GIS 水資源信息管理能夠明顯提升工作效率水平，具體表現(xiàn)為信息有效集成、方便、可視、行政管理部門全面介入、二次專業(yè)開發(fā)接口。GIS 成立優(yōu)質(zhì)的水資源管理系統(tǒng)、分析水資源系統(tǒng)模擬以及輔助決策支持。

1.9 防洪減災

現(xiàn)在GIS 技術應用在防洪決策分為主要系統(tǒng)：防洪決策支持、信息管理。GIS 在系統(tǒng)中主要作用是查詢、檢索、更新、維護空間數(shù)據(jù)管理，利了用空間分析能為防汛指揮提供依據(jù)。災情評估，主要根據(jù)GIS 數(shù)據(jù)管理，為災情級別進行判別，并對不同級別采取不同的預防災情無法扭轉(zhuǎn)。城市防洪，根據(jù)積水量測定，在遇見暴雨分布、積水借刀分布可視化顯示，在數(shù)據(jù)上可廣泛使用。

2 GIS 技術在水資源中發(fā)展趨勢

GIS 技術在水資源中應用自如，是因為對GIS 技術的了解和對水資源本質(zhì)了解，從而獨自創(chuàng)新，關于管理和功能方面有著自身發(fā)光之處，具備差異性和個案的分析結(jié)果，由此被公認并普遍認為是GIS 技術在水資源的應用廣泛，應用前景大，提升空間大[9]。

2.1 研究加強應用標準規(guī)范

截至目前，GIS 技術軟件功能強大，但此軟件專業(yè)細分領域不全，像HAWR 就不夠細分后的專業(yè)性，綜合性強，但不精這也是這款技術軟件的缺陷[10]。故此研究HAWR 應用GIS 技術軟件成為當下的一個課題，考驗GIS 技術軟件開發(fā)多元性和共享交流信息的不便捷。GIS 水資源應用開發(fā)需完善技術規(guī)范標準，同時需要加強管理研究。

2.2 成立獨具特色的HAWR 地理空間數(shù)據(jù)庫

HAWR 特色地理空間數(shù)據(jù)庫具有全國代表性建立，可有效開展GIS 技術在HAWR 應用基礎。想要建立數(shù)據(jù)庫主要方向為HAWR 地理空間，其規(guī)模龐大必須按照以下步驟完成：①全國各大流域出發(fā)。②建立各大流域子數(shù)據(jù)庫。③匯聚成全國系統(tǒng)性數(shù)據(jù)庫。除此之外，應注意子數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括流域內(nèi)經(jīng)濟、流域內(nèi)雨晴水情、流域內(nèi)水利設施、蓄滯區(qū)發(fā)布、水災旱災、流域內(nèi)其他自然資源、流域內(nèi)社會環(huán)境等數(shù)據(jù)[11]。

GIS 與普通決策通常支持兩種信息系統(tǒng)，并與HAWR 空間決策支持系統(tǒng)結(jié)合，可在開放過程中應引導HAWR 相關管理部門積極配合，特別重視研發(fā)并運用江河防洪決策支持系統(tǒng)。

2.3 HAWR 專業(yè)模型融合

目前存在的GISHAWR 專業(yè)模型實現(xiàn)了對HAWR 數(shù)據(jù)信息的存儲、管理、輸入輸出，不僅對數(shù)據(jù)處理層面，還在表達大水文地理空間、分析水文現(xiàn)象空間、水文支持決策能力諸多方面，功能還有缺陷。在研究方向和重點方面有自己的看法，利用先進的計算方法，重點對數(shù)據(jù)管理技術以及軟件，建立集成HAWR 專業(yè)模型與GIS。

2.4 多維度發(fā)展的軟件系統(tǒng)

目前社會上開發(fā)GIS 軟件缺乏以下特點和要求：真三維分析功能、幾何建模、分析不具備HAWR 空間動態(tài)變化信息，就是當下比較成熟的先進系統(tǒng)，雖然作用不顯著。由此可見，響應HAWR 需求，急需開發(fā)具有三維，更需要思維功能的GISHAWR空間分析軟件。

隨著HAWR 發(fā)展要求，計算機技術為生活帶來的便利同時，從發(fā)展趨勢上來看由二維獨立到三維兼容集成[12]。

2.5 水污染事故應急處理

GIS 技術將空間數(shù)據(jù)集成與網(wǎng)絡分析功能結(jié)合，利用水質(zhì)模擬技術詳細模擬發(fā)生水污染事故時的具體情況，方便及時確定受影響范圍對象，采取恰當措施控制不良影響。如在松花江污染事故中，通過及時運用地理信息技術，建立污染檢測與預警系統(tǒng)，行之有效觀察污染水帶流動以及變化情況，確定給周圍地域造成的影響，明確污染變化進展，可以直觀觀察其HAWR 的形式是電子地圖，它可以觀察其污染情況，可以科學精準地預警預測。

GIS 技術在水資源的應用上總的來說包括研究加強應用標準規(guī)范、建立獨具特色的HAWR 地理空間數(shù)據(jù)庫、HAWR 專業(yè)模型融合、多維度發(fā)展的軟件系統(tǒng)、響應突發(fā)性水污染事故應急。

3 結(jié)語

我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，各行各業(yè)都離不開地下水，在我國三大產(chǎn)業(yè)里農(nóng)業(yè)更是離不開，主要應用在灌溉方面。地下水水資源有著自身優(yōu)點才另更多的開發(fā)地下水資源，同時在追隨地下水資源給人們生活等方面發(fā)生著不同的改變，地下水應用后還出現(xiàn)沼澤化、鹽漬化。過度不僅給生活帶來變化，還導致生態(tài)環(huán)境破壞和國家經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，在追求經(jīng)濟利益同時，出現(xiàn)地面沉降問題帶來生態(tài)迫害。GIS 技術創(chuàng)新應用，對于水文地質(zhì)工作帶來便利。

GIS 是一種地理信息軟件，有單獨使用的，可以對HAWR 等各個領域，對位置有精確定位，和高級語言等二次開發(fā)后，可以將定位更精準更清晰。并且應用范圍廣泛，GIS 技術在HAWR 應用在生活水資源監(jiān)管和污水治理、防洪等方面都有積極預防管理措施。根據(jù)GIS 技術在HAWR 應用領域中和出現(xiàn)問題以及解決措施，可清晰的看出GIS 技術在HAWR 應用中的發(fā)展趨勢為：由二維到三維，由單獨到集成方向發(fā)展，以解決污水和洪水等應急的預防措施為發(fā)展方向。

綜上所述，了解GIS 技術應用領域的目的和GIS 技術的核心原理，處理好經(jīng)濟與環(huán)境的關系，同時還要做好地下水合理開發(fā)利用的規(guī)劃，這不僅是對水資源不同領域的技術探索，同時也是保持經(jīng)濟穩(wěn)健發(fā)展的前提。